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David Sinton院士团队，一天两篇ACS Energy Lett.！

来源：时间：2023-10-30 09:35:26 浏览：1255次

1. ACS Energy Lett.：直接膜沉积用于CO₂电解

第一作者：Tartela Alkayyali、Ali S. Zeraati、Harrison Mar

通讯作者：David Sinton院士、Nana Zhao

通讯单位：多伦多大学，加拿大能源、矿业与环境研究中心

DOI: https://doi.org/10.1021/acsenergylett.3c01716

研究背景

基于膜电极组件（MEA）或零间隙配置的可再生电催化系统提供了超越液流电池和H电池系统的稳定性和可扩展性，但CO₂还原反应（CO₂RR）电解槽需要提高产品选择性（法拉第效率，FE）、电池电压和单程转化率（SPC；输入的CO₂转化为CO₂RR产物的比例）。在CO₂电解槽中，使用正偏置双极膜（f-BPM）具有避免昂贵的CO₂反应物损失的优点，但目前基于f-BPM的电解槽需要高电压，并且以CO₂还原的产品为代价产生H₂。基于此，多伦多大学David Sinton院士和加拿大能源、矿业与环境研究中心Nana Zhao等人报道了一种直接膜沉积（Direct membrane deposition, DMD）方法，结合阴离子和阳离子交换膜（分别为AEM和CEM）来增加传输和促进CO₂再生。DMD方法在AEM和CEM之间构建了一个无缝和连续的界面，提供了离子和气体传输域的通道，从而可以超过固定结构和厚度的商用膜所达到的性能。

文章要点

1、测试发现，共形的AEM‖CEM界面使得离子质量传输率提高了58%，实现了高效的CO₂再生而不会起泡。通过定制AEM和CEM膜的厚度，在300 mA cm^-2下获得了65%的C₂₊ FE和12%的H₂ FE。

2、此外，作者还展示了在300 mA cm^-2下的69%的SPC和42%的C₂₊选择性，使得在最高SPC下，比现有的最佳碳效率f-BPM CO₂RR MEA电解槽的局部电流密度性能提高了2倍以上。

图文展示

图1.正向偏置模式下具有不同界面的BPM系统的理论分析

图2. DMD的性能和表征

图3. 不同电流密度下对照组和DMD系统的性能

图4.比较DMD系统和正向偏置BPM CO₂电解槽

2、ACS Energy Lett.：阴离子介导的电化学提取Ca制取水泥

第一作者：Rui Kai Miao、Ning Wang

通讯作者：David Sinton院士、Edward H. Sargent院士

通讯单位：多伦多大学

DOI: https://doi.org/10.1021/acsenergylett.3c01668

研究背景

水泥作为产量最多的一种前驱材料，是目前世界上使用最多的混凝土材料。然而，水泥生产消耗了全球3%的能源，占人为CO₂排放量的8%。平均而言，生产每公斤水泥会排放1 Kg CO₂，这是燃料燃烧排放和原料石灰石（CaCO₃）释放的碳的总和。基于此，David Sinton院士和Edward H. Sargent院士等人报道了基于阴离子介导的电化学钙萃取（ECE）的电化学水泥生产，解决了原料和能源排放问题。

文章要点

1、在本文中，原位生成的酸性电解质（而不是pH梯度）在单独的腔室中与石灰石反应以提取钙阳离子，确保石灰石中的CO₂以高纯度释放。这种高纯度可以直接下游利用或储存，而无需昂贵的碳捕获和净化步骤。

2、在基于膜的电解槽中加入高活性催化剂，在电流密度为200 mA/cm²下，实现了93%的电流效率和2.8 V的全电池电压，相当于6.7 GJ/吨水泥的能源成本，相当于不捕获CO₂的传统水泥生产。水泥以标准形式生产，波特兰水泥，符合当前市场和建筑行业的法规。作者调整这一过程，以适应无碳原料，石膏（CaSO₄·2H₂O），完全消除了原料排放。

图文展示

图1.电气化水泥生产工艺

图2.电化学提取Ca过程中Ca(OH)₂的产生

图3.以石膏为原料电化学提取Ca工艺中生产Ca(OH)₂

图4.利用产生的Ca(OH)₂合成白来石和阿利石

图5.经济分析、生命周期分析及系统稳定性

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